计量供热采暖系统水力计算程序的研究

计量供热采暖系统水力计算程序的研究
摘要计量供热是对集中供热系统形式和水力计算方式的双重变革,原有的水力计算软件再也不适用.本文针对适合计量供热的几种系统形式,对室内系统水力计算方式进行了研究,提出了一些不同于传统水力计算的方式,编制了适合于计量供热的水力计算软件.
关键词计量供热系统运算机辅助设计(CAD) 水力计算
引言
计量供热的实现要求对系统形式进行变革,相应的水力计算方式也与传统系统略有不同;散热器恒温阀、压差操纵器等设备的引入加大了设计人员的设计工作量;与传统的采暖系统相较,新双管系统是适合于计量供热的要紧系统形式,但管路平稳和计算工作量比传统单管系统大得多,给设计工作增加了难度;同时,原有的采暖系统水力计算软件也已不能适应计量供热系统设计的需求。

作者对适合于计量供热系统的水力计算方式进行了较深切的研究，针对单管跨越式、垂直双管
和新双管（双-双管）三种系统形式，利用可视化软件开发工具Visual Basic编制了水力计算程序，希望能为计量供热的系统设计提供参考依据。

数学模型
1．各管段阻力损失的计算
本程序参考有关设计手册成立了局部阻力管件的数据库。

程序在初始条件输入时，要求用户选择各管段存在的局部阻力管件名称及相应的数量，程序在水力计算的进程中通过挪用数据库查询的子程序可取得各局部阻力管件的局部阻力系数ζ值，结合相对应的管件数量，计算出管段决的局部阻力系数。

2．平均比摩阻的确信
最不利环路的平均比摩阻为：
传统的热水采暖系统α一样取，适合计量供热的采暖系统由于加入了一些高阻力的管件和阀门，与传统的采暖系统有所不同。

适合计量供热的采暖系统最不利环路的散热器恒温阀压降一样为500Pa（多层建筑），传统计量供热总压降一样为10000～20000Pa，假设按20000 Pa计，加上恒温阀压降那么系统总压降为25000 Pa（只计算系统的室内部份），其中沿程压力损失应为20000×=10000 P，那么沿程损失占总压力损失的估量百分数应为10000/25000=。

图1
关于垂直双管式系统，上层散热器管路通过与下一层散热器管路的平稳关系确信该管路的资用压力，取得管路的平均比摩阻，进而确信管路的管径。

图1是上下两层散热器管路示用意，A-B-D和A-C-D 为并联管路，管路A-B-D可通过与管路A-C-D的平稳关系进行水力计算确信管径。

下面来估算管路A-B-D沿程损失占管路压力总损失的百分数。

管路的沿程比摩阻依照经济比摩阻90Pa/m进行估算，那么管路A-B-D总阻力损失为（3+5）×90=720Pa，传统采暖系统中α按取值。

那个地址局部阻力（不计散热器恒温阀的阻力）依照传统采暖系统的方式来估算，等于沿程阻力，也为720Pa，散热器恒温阀压降依照5000Pa估算，那么管路A-B-D的总阻力损失为6440Pa，散热器恒温阀压降按分数为720/6440=。

由此可见，α的值依具体情形是转变的。

初始条件输入进程假设用户已输入了资用压力，软件计算时α取，按式（12）计算出最不利环路的平均比摩阻；各个小环路依照平稳确信管径时，先不计入恒温阀的阻力α取按式（12）计算平均比摩阻，管径平稳计算后再计入恒温阀的阻力。

假设发觉用户没有输入资用压力的数值，那么软件默许平均比摩阻为经济比摩阻60～120Pa/m。

3．重力循环作用压力的计算
热水计量供热循环作用压力的大小，取决于：机械循环提供的作用压力，水在散热器内冷却所产生的作用压力和水在循环环路中因管
路散热而产生的附加作用压力。

机械循环系统中，水在循环环路中冷却产生的附加作用压力，占机械循环总循环压力的比例很小，在进行系统总资用压力计算时可忽略不计。

对机械循环双管系统，水在各层散热器冷却所形成自然循环作用压力不相等，在进行各立管散热器的并联环路水力计算时，应计算在内。

自然循环作用压力的计算公式为：
关于双管系统，通过上层散热器环路的作用压力比通过底层散热器的大，其相邻两层重力循环作用压力的差值为。

4．散热器恒温调剂阀Kv值的计算
Kv值是散热器恒温阀选型的依据：
用于双管系统的散热器恒温阀具有高阻力的特性，用于单管系统的散热器恒温阀阻力系数也比一般阀门高。

恒温阀的设计压降临恒温阀选型的重要因素，它的高与低直接阻碍着采暖系统的运行工况及其经济性。

取值太高，除增加循环水泵能耗外，在无压差操纵的情形下，还有显现噪声的危险，而且由于现在预设值过小易发生堵塞现象。

相反，取值太低，会降低恒温阀的阀权度，同时也无益于克服高层建筑的垂直失调。

丹麦Danfoss公司用于双管系统的散热器恒温阀产品样本上成立恒温阀压降取～，结合我国的具体情形，散热器恒温阀压降
的取值方式如下：
双管系统（包括垂直双管和双-双管系统）：关于多层建筑，最不利环路的散热器恒温阀压降按5000Pa选取，关于高层建筑，最不利环路的散热器恒温阀压降按10000Pa选取，其余各个环路散热器恒温阀的压降依照环路之间平稳的需要来确信。

单管跨越式系统：依照跨越管和散热器支路的阻力平稳，保证散热器必然的分流系数来确信恒温阀压降。

5．单管跨越式系统散热器分流系数的确信
由散热器的热力特性分析可知，在必然供水温度下，散热量和流量之间的关系为一上抛曲线。

图2为一典型散热器（B=）相对散热量和相对流量之间的关系，三条曲线别离表示设计工况下三种不同的散热器进出口温差：5℃、15℃、20℃。

由图可知，进出口温差大，流量转变对散热量改变明显。

关于给定的散热器来讲，在设计工况下，进出口温差是由散热器进流量决定的。

恒温阀也是通过改变散热器的进流量调剂散热量实现对室温操纵的，散热器的调剂性是恒温阀正确工作的必要条件。

对双管系统，散热器进出口温差可近似为系统设计温差，散热器具有较好的可调剂性；对单管系统，散热器具有较好的可调剂性；对单管系统，散热器的温降一样都比较小，可调剂性差，对单管跨越式系统，通过减小散热器支路流量能够加大散热器的进出口温差，改善其调剂特性。

图 2 散热量与流量的关系
从可调剂性的角度讲，进流量越小，进出口温差越大，但同时为保证房间负荷的要求，进流量减小又会使散热面积增加、散热器选型加大、利用的经济性变差。

因此，对单管跨越式系统必需合理确信散热器的分流系数。

由图2可看出分流系数处于以下的区域是单管跨越式系统散热器调剂灵敏区。

下面以四柱813铸铁散热器为例，成立立管模型，来分析散热器面积与分流系数的关系。

设计工况：供水温度95℃；回水温度70℃；室内设计温度18℃；立管共六组散热器，散热量均假设为1500W。

下面给出了不同分流系数散热器面积增加百分比的对照表。

表 1 不同分流系数散热器面积增加百分比（%）
1 1
-2
-3
-4
-5
-6
-
由上表能够看出，散热器面积各层增加情形不同，依楼层的递增而递减，最底层面积增加百分数最大。

分流系数大于(含，散热器面积增加并非明显（最大为%）：分流系数小于（含），散热器面积剧增（最大达到
%）。

综上所述，为了保证散热器可调的情形下，同时散热器面积增加可不能太大，本软件计算中散热器设计分流系数选取。

软件调试
软件的测试工作在应用软件的开发进程占有很重要的作用，一样应占软件项目开发工作量的40～50%。

软件完成后，作者进行了一系列的测试工作，发觉并解决了一些问题，但由于时刻有限，大量的工作还有待进一步完成。

通过某工种实例的计
算，结论如下：
1．应用本软件的计算所得结果与设计人员手工计算的结果大体相符，验证了本设计计算软件的合理性；
2．用于双管系统的散热器恒温阀具有高阻力特性和预设置功能，可有效解决双管系统由于自然循环作用压力产生的垂直失调问题，使双管系统楼层限制的问题大体取得解决。

限于篇幅，软件计算实例及结果分析从略。

结论
1．本文介绍的双管系统的水力计算方式中，考虑了自然循环作用压力，并在设计时期通过散热器恒温阀的不同预置档数排除自然循环作用压力的阻碍。

用于双管系统的散热器恒温阀具有高阻力特性和预设置功能，可有效解决双管系统由于自然作用压力产生的垂直失调问题，使双管系统楼层限制的问题大体取得解决，但实际设计时考虑到用户系统用热设备及其管道构件的承压能力，楼层较高时还应该进行系统的分区；
2．双管系统恒温阀的设计压降（最不利环路散热器的压降）是恒温阀选型的重要因素，它的高与低直接阻碍着采暖系统的运行工况及其经济性。

取值太高，除增加循环水泵能耗外，在无压差操纵的情形下，还有显现噪声的危险：取值太低，会降低系统稳固性。

本软件在水力计算中结合我国的具体情形，对散热器恒温阀压降的进行了合理取值；
3．传统的热水采暖系统水力计算时，沿程损失占总损失的估量百分数一样取，适合计量供热的采暖系统中由于加入了一些高阻力的管
件和阀门，与传统的计量供热有所不同。

在处置沿程损失占总压力损失估量百分数的取值问题时，应该针对不同的情形区别对待；
4．关于单管跨越式系统，必需保证旁通管有足够的过流量，才能增大散热器进出口温差，使散热器处于流量调剂的灵敏范围内，增强散热器可调性。

同时为了不使散热器面积比单管顺流式系统增加秀多，必需合理确信散热器的分流系数。

参考文献
[1] Dansfoss, RTC/RTD散热器恒温操纵器参数表，
[2] 戈特·摩勒编著，郎四维译，供暖操纵技术，中国建材工业出版社，
[3] 中国建研院空调所，按热量计费的住宅供热采暖技术研究分报告汇编，
[4] 邹瑜，双管系统散热器恒温阀合理设计压降的报告，。